Детали машин: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Кручение валов

Касательное напряжение
τ = T·r/J
Сплошной вал
J = πd⁴/32
Полый вал
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Угол закручивания
φ = TL/(GJ)
Мощность
P = T·ω = 2πnT/60

Метод

  1. Найдите полярный момент инерции сечения: J = πd⁴/32 для сплошного вала.
  2. Касательное напряжение на поверхности: τ = T·r/J, где r — наружный радиус.
  3. Угол закручивания: φ = TL/(GJ) в радианах.
  4. Если дана мощность, сначала найдите крутящий момент по P = T·ω, ω = 2πn/60.

Круг Мора и преобразование напряжений

Центр
C = (σx + σy)/2
Радиус
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Главные напряжения
σ1,2 = C ± R
Главное направление
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Наклонная площадка
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Метод

  1. Вычислите центр круга Мора: C = (σx + σy)/2.
  2. Вычислите радиус: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.
  4. Углы на круге вдвое больше углов на элементе: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Осевое напряжение и деформация

Нормальное напряжение
σ = F/A
Деформация
ε = ΔL/L
Закон Гука
σ = E·ε
Удлинение
ΔL = FL/(EA)
Температурная деформация
εT = α·ΔT

Устойчивость колонн

Критическая сила Эйлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коэффициент расчётной длины
K = 1 шарнир–шарнир, 0,5 заделка–заделка, 0,7 заделка–шарнир, 2 заделка–свободный конец
Критическое напряжение
σcr = Pcr/A
Гибкость
λ = KL/r, r = √(I/A)

Механические колебания

Собственная частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
По статическому прогибу
ωn = √(g/δst)
Критическое демпфирование
cc = 2√(km) = 2mωn
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc
Частота затухающих колебаний
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмический декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Параллельные пружины
k = k1 + k2
Последовательные пружины
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Тренировочные задачи

1.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 16, m = 5 mm

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 16 зубьями и модулем 5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 1,1 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 5 mm
Ft = N
2.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 800 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 160 mm и шкив 500 mm, центры которых находятся на расстоянии 800 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 160 mmd2 = 500 mmC = 800 mm
θ = °
3.Кручение валовСредняя
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,2 mφ = ?

Сплошной вал (алюминий) заделан в стену и закручивается моментом T на свободном конце. Найдите угол закручивания φ свободного конца в градусах.

T = 250 N·md = 40 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручение валовСложная
d = ?30 kW, 300 rpm

Сплошной вал (сталь) передаёт 30 kW при 300 rpm. Касательное напряжение не должно превышать 80 MPa, а угол закручивания — 1° на 1 m длины. Найдите наименьший диаметр d, удовлетворяющий обоим условиям.

P = 30 kWN = 300 rpmτallow = 80 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Круг Мора и преобразование напряженийСредняя
τxy​ = 50MPa

Точка тонкой пластины находится в плоском напряжённом состоянии: σₓ = 0 MPa, σᵧ = 0 MPa и τₓᵧ = 50 MPa, σz = 0. Найдите абсолютное наибольшее касательное напряжение τabs в точке (с учётом всех площадок в трёх измерениях).

σx = 0 MPaσy = 0 MPaτxy = 50 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Круг Мора и преобразование напряженийСложная
σx​τxy​поверхность вала

Сплошной вал диаметром 25 mm нагружен осевой растягивающей силой 200 kN вместе с крутящим моментом 500 N·m. На поверхности вала найдите наибольшее касательное напряжение в плоскости τmax.

d = 25 mmF = 200 kNT = 500 N·m
τmax = MPa
7.Осевое напряжение и деформацияСредняя
P = ?12600 mm200 mmØ25Ø50δ = 0,3 mm

Брус состоит из участка (сталь) диаметром 25 mm, длиной 600 mm и E = 200 GPa, соединённого встык с участком (медь) диаметром 50 mm, длиной 200 mm и E = 120 GPa. Один конец закреплён, к другому приложена растягивающая сила. Найдите осевую нагрузку P, которая удлиняет его в сумме на 0,3 mm.

участок 1: сталь, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaучасток 2: медь, Ø50 mm, 200 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Осевое напряжение и деформацияСложная
Ø 40 mmАлюминий1 mØ 16 mmАлюминий0,5 mP = 35 kN

Ступенчатый стержень заделан в стену и нагружен на свободном конце. Найдите наибольшее нормальное напряжение σmax в стержне.

P = 35 kNучасток 1: Ø40 mm, 1 m, алюминий (E = 70 GPa)участок 2: Ø16 mm, 0,5 m, алюминий (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Устойчивость колоннСредняя
PL = 2,5 m40 × 80 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена внизу и свободна вверху. По формуле Эйлера найдите её критическую силу Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Устойчивость колоннСложная
PL = 2,5 md = 20 mmпоперечное сечение

Колонна длиной L из материала (алюминий) защемлена с обоих концов. Найдите её гибкость и критическое напряжение σcr по формуле Эйлера.

L = 2,5 mE = 70 GPa (алюминий)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Механические колебанияСредняя
k = 25 kN/mζ = 0,35m = 200 kg

Груз массой 200 kg на пружине жёсткостью 25 kN/m снабжён вязким демпфером, дающим коэффициент демпфирования 0,35. Найдите частоту fd его свободных затухающих колебаний в Hz.

m = 200 kgk = 25 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Механические колебанияСложная
k1​ = 5k2​ = 5m = 25 kg

Груз массой 25 kg висит на двух пружинах, соединённых друг за другом (последовательно): у верхней k₁ = 5 kN/m, у нижней k₂ = 5 kN/m. Найдите эквивалентную жёсткость keq системы пружин в kN/m.

m = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Растворы

1.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 273,5 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 5·16 = 80 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·10,94/0,08 = 273,5 N

Ответ

Ft = 273,5 N
2.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 155,5 °

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Угол ремня

asin(0,2125) = 12,27°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·12,27 = 155,5°

Ответ

θ = 155,5°
3.Кручение валов

Ответ: φ = 2,63 °

Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.

Полярный момент инерции

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Угол закручивания

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1200/(26000·251327) = 0,04591 rad
φ = 0,04591·180/π = 2,63°

Ответ

φ = 2,63°
4.Кручение валов

Ответ: d = 51,37 mm

Кручение круглых валов: касательное напряжение линейно растёт от нуля в центре до τmax = T·r/J на поверхности, где J = πd⁴/32 для сплошного вала и J = π(do⁴ − di⁴)/32 для полого. Угол закручивания φ = TL/(GJ) в радианах. Мощность и крутящий момент связаны как P = T·ω.

Крутящий момент

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Диаметр из условия прочности

T = 954,9 N·m = 954930 N·mm
dτ = ∛(16·954930/(π·80)) = 39,32 mm

Диаметр из условия жёсткости

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·954930/(π·80000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 51,37 mm

Определяющий диаметр

Должны выполняться оба условия, поэтому определяющим является больший диаметр.

d = max(39,32, 51,37) = 51,37 mm

Ответ

d = 51,37 mm

Здесь определяющим является условие жёсткости.

5.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τabs = 50 MPa

Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R. В трёх измерениях абсолютное наибольшее касательное напряжение равно (σmax − σmin)/2 по всем трём главным напряжениям; при плоском напряжённом состоянии третье из них равно нулю.

στxyCσ1​σ2​

Главные напряжения в плоскости

C = 0 MPa, R = √(0² + 50²) = 50 MPa
σ1 = 50 MPa, σ2 = −50 MPa, σz = 0

Наибольший из трёх кругов

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(100, 50, 50)/2 = 50 MPa

Ответ

τabs = 50 MPa

Здесь σ₁ и σ₂ имеют разные знаки, поэтому максимум в плоскости R является и абсолютным максимумом.

6.Круг Мора и преобразование напряжений

Ответ: τmax = 260,9 MPa

Преобразование напряжений при плоском напряжённом состоянии: на площадке, повёрнутой на угол θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Круг Мора показывает все площадки сразу: его центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радиус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Главные напряжения равны C ± R, а наибольшее касательное напряжение в плоскости равно R.

Напряжения на поверхности

σ = F/A = 200000/(π·25²/4) = 200000/490,9 = 407,4 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·25³) = 163 MPa
στxyCτmax​

Круг Мора

C = σ/2 = 203,7 MPa
R = √(203,7² + 163²) = 260,9 MPa

Ответ

τmax = 260,9 MPa
7.Осевое напряжение и деформация

Ответ: P = 43,1 kN

Два материала: при последовательном соединении (один за другим) каждый участок воспринимает одну и ту же силу, а удлинения складываются: δ = P·Σ L/(E·A). При параллельном соединении (рядом между жёсткими плитами) обе части укорачиваются на одну и ту же величину, поэтому их деформации равны: более жёсткая часть берёт большую долю, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стержень, зажатый между двумя жёсткими стенами с нагрузкой в месте стыка, статически неопределим: два участка делят нагрузку пропорционально своей жёсткости k = EA/L.

Площади

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Податливости

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490,9) = 6,112 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(120000·1963) = 8,488 × 10⁻⁷ mm/N

Нагрузка

P = 0,3/6,96 × 10⁻⁶ = 43101 N = 43,1 kN

Ответ

P = 43,1 kN
8.Осевое напряжение и деформация

Ответ: σmax = 174,1 MPa

Стержни при осевой нагрузке: каждый призматический участок подчиняется δ = PL/(AE). Для последовательных участков удлинения складываются.

Одинаковая сила на обоих участках

Свободный конец воспринимает P, поэтому каждое сечение стержня передаёт одну и ту же осевую силу P. Меняются только площади и материалы.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 27,85 MPa
σ2 = 174,1 MPa

Наибольшее напряжение

У более тонкого участка меньше площадь, поэтому напряжение в нём больше.

σmax = 174,1 MPa

Ответ

σmax = 174,1 MPa
9.Устойчивость колонн

Ответ: Pcr = 11,79 kN

Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.

Наименьший момент инерции

Прямоугольник теряет устойчивость относительно слабой оси, с меньшим размером в кубе.

Imin = h·b³/12 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Расчётная длина

KL = 2·2500 = 5000 mm

Критическая сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/5000² = 11791 N = 11,79 kN

Ответ

Pcr = 11,79 kN
10.Устойчивость колонн

Ответ: σcr = 11,05 MPa

Потеря устойчивости по Эйлеру: гибкая колонна теряет устойчивость при Pcr = π²EI/(KL)², где KL — расчётная длина: K = 1 для шарнир–шарнир, 2 для заделка–свободный конец, 0,7 для заделка–шарнир и 0,5 для заделка–заделка. Она изгибается относительно оси с наименьшим I. Формула справедлива для гибких колонн, у которых критическое напряжение меньше предела текучести.

Наименьший момент инерции

У круглого сечения одинаковый I относительно любой оси.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Радиус инерции и гибкость

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·2500 = 1250 mm
KL/r = 1250/5 = 250

Критическое напряжение

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/250² = 11,05 MPa

Ответ

σcr = 11,05 MPa
11.Механические колебания

Ответ: fd = 1,667 Hz

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Собственная частота без демпфирования

ωn = √(25000/200) = 11,18 rad/s
fn = 11,18/(2π) = 1,779 Hz

Частота затухающих колебаний

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,779·√(1 − 0,35²) = 1,667 Hz

Ответ

fd = 1,667 Hz
12.Механические колебания

Ответ: keq = 2,5 kN/m

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Эквивалентная жёсткость

Последовательные пружины передают одну и ту же силу, а их деформации складываются, поэтому складываются обратные величины: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/5 + 1/5 → keq = 5·5/(5 + 5) = 2,5 kN/m

Ответ

keq = 2,5 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design